Thesis:

Modelación Númerica de la Dispersión de Contaminantes en calles y terrenos de geometría compleja

En este trabajo se desarrolla una modelación numérica de la dispersión de substancias contaminantes emitidas a la atmósfera en zonas de dimensiones reducidas caracterizadas por una configuración geométrica compleja del terreno. En situaciones de este tipo el campo de velocidades del viento adquiere una distribución complicada y altamente dependiente de la geometría del terreno. La modelación se basa en obtener este campo de flujo resolviendo las ecuaciones de conservación eulerianas que lo determinan. Las concentraciones de polutantes se calculan por medio de sus ecuaciones de transporte convectivo y difusivo. El proceso de difusión está dominado por el estado turbulento de flujo. Se describen los principales métodos para la modelación de la turbulencia, la cual se incluye mediante el promedio temporal de las ecuaciones, empleando el concepto de viscosidad turbulenta para los esfuerzos de Reynolds, calculada por medio del modelo k - e. Para la difusión turbulenta de calor y masa se analizan las teorías al respecto y se adopta la teoría K, que supone los flujos turbulentos horizontales y verticales proporcionales a los gradientes de las propiedades intensivas medias en las direcciones respectivas, introduciendo coeficientes de difusión turbulentos. Estas difusividades son obtenidas de la viscosidad turbulenta y a ellas se aplican además factores de anisotropía dependientes de la estabilidad atmosférica. Para la resolución numérica de las ecuaciones se utiliza el método de diferencias finitas, según el esquema de volumenes de control. Los coeficientes de discretización se calculan mediante el esquema de Ley de potencia de Patankar, y se utilizan mallas de discretización desplazadas para las componentes de velocidad a fin de obtener una mejor representación numérica de las derivadas de velocidades y presión. La conexión entre las ecuaciones de momentum y de continuidad se establece mediante el método SIMPLE. Se presentan aplicaciones del modelo al cálculo de concentración de polutante en algunos casos hipotéticos de calles rodeadas por edificios, y en una zona de topografía irregular expuesta a las emisiones de una fuente industrial. Los resultados muestran que este tipo de modelación ofrece posibilidades concretas de estimar grado de contaminación atmosférica en situaciones donde Ia complejidad del terreno hace dudosa la aplicación de los métodos convencionales para estos fines.

In this study, a numerical model is developed for the dispersion of pollutant substances released into the atmosphere at zones of small dimensions characterized by terrain with a complex geometrical configuration. In this kind of situations the wind velocity field acquires a complicated distribution, highly dependent on the terrain geometry. The model is based on the determination of this flow field by solving the governing Eulerian conservation equations. Pollutant concentrations are calculated with their convective-diffusive transport equations. The diffusion process is dominated by the turbulent state of the flow. The main methods for turbulence modeling are described. Turbulence is included by time averaging the equations, employing the turbulent viscosity concept for the Reynolds stresses, calculated with the k—s model. For the turbulent diffusion of heat and mass, theories about the subject are reviewed, and the K theory is adopted, which assumes that horizontal and vertical turbulent fluxes are proportional to the gradients of the intensive properties in the corresponding directions introducing turbulent diffusion coefficients. These diffusivities are obtained from the turbulent viscosity, and additionally anisotropy factors depending on the atmospheric stability are applied to them. For the numerical solution of the equations the finite difference method is used, in the form of the control-volume scheme. The discretization coefficients are calculated by the Patankar power-law scheme, and staggered discretization grids are employed for the velocity components in order to obtain a better numerical representation of the velocity and pressure derivatives. The connection between the momentum and continuity equations is achieved by use of the SIMPLE method. Applications of the model to the calculation of pollutant concentration are presented for some hypothetical cases of streets surrounded by buildings and in a zone of rough topography exposed to the emissions of an industrial source. The results show that this class of modeling offers real possibilities for the estimation of the atmospheric contamination level in cases where the terrain roughness makes the application of conventional methods for these purposes dubious.